I ricercatori hanno sviluppato una tecnica basata sulla luce per misurare campi magnetici molto deboli, come quelli prodotti quando i neuroni si attivano nel cervello. I sensori economici e compatti potrebbero offrire un'alternativa ai sistemi di risonanza magnetica (MRI) attualmente utilizzati per mappare l'attività cerebrale senza il costoso raffreddamento o la schermatura elettromagnetica richiesti dalle macchine per la risonanza magnetica.

"Un portatile, un sistema di imaging cerebrale a basso costo in grado di funzionare a temperatura ambiente in ambienti non schermati consentirebbe la mappatura dell'attività cerebrale in tempo reale dopo potenziali commozioni cerebrali sul campo sportivo e nelle zone di conflitto in cui l'effetto degli esplosivi sul cervello può essere catastrofico, " ha detto il ricercatore Babak Amirsolaimani dell'Università dell'Arizona, Tucson.

Come dettagliato nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori hanno fabbricato i sensori magnetici utilizzando fibre ottiche e un composito di nanoparticelle polimeriche di nuova concezione sensibile ai campi magnetici. I sensori possono rilevare il campo magnetico del cervello, che è 100 milioni di volte più debole del campo magnetico terrestre.

I ricercatori hanno anche dimostrato che il nuovo sensore è in grado di rilevare il debole schema magnetico del battito cardiaco umano e ha la capacità di rilevare le fluttuazioni magnetiche che cambiano ogni microsecondo da un'area di appena 100 micron quadrati.

"Il design completamente ottico del sensore significa che potrebbe essere fabbricato a buon mercato su un chip fotonico di silicio, rendendo possibile la produzione di un sistema di dimensioni ridotte quasi quanto la fibra ottica di 10 micron di diametro del sensore, " ha detto Amirsolaimani. "Più sensori potrebbero quindi essere utilizzati insieme per fornire una mappatura del cervello ad alta risoluzione spaziale".

I nuovi sensori potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio l'attività del cervello e le malattie del cervello come la demenza e l'Alzheimer. Potrebbero anche essere utili per misurare i campi magnetici utilizzati per prevedere eruzioni vulcaniche e terremoti, identificare petrolio e minerali per lo scavo e rilevare sottomarini militari.

Rilevamento ottico di campi magnetici

Il metodo ottico per rilevare campi magnetici deboli sfrutta il fatto che un campo magnetico fa ruotare la polarizzazione della luce, con il grado di rotazione dipendente dal materiale attraverso il quale passa la luce. I ricercatori hanno sviluppato un nuovo materiale composito costituito da nanoparticelle disperse in un polimero che impartisce una rotazione di polarizzazione rilevabile alla luce quando sono presenti campi magnetici molto deboli.

Hanno selezionato nanoparticelle basate su magnetite e cobalto perché questi materiali mostrano una sensibilità magnetica molto elevata. Hanno quindi ottimizzato le dimensioni, spaziatura e rivestimento delle nanoparticelle per creare un materiale composito estremamente sensibile ai campi magnetici.

I ricercatori hanno rilevato la rotazione della polarizzazione utilizzando un interferometro ottico. Funziona suddividendo la luce laser in due percorsi, uno dei quali passa attraverso il materiale altamente sensibile mentre l'altro no. La polarizzazione di ciascun percorso luminoso viene rilevata e confrontata per misurare le fluttuazioni in campi magnetici molto piccoli.

Quando si rilevano campi magnetici deboli, il rumore può facilmente coprire il segnale rilevato. Per questa ragione, i ricercatori hanno utilizzato una configurazione dell'interferometro che elimina gli effetti ambientali ambientali come vibrazioni e fluttuazioni di temperatura. Questa configurazione ha mantenuto i livelli di rumore molto vicini al limite teorico del progetto ottico, che era la chiave per rilevare campi magnetici molto deboli.

I ricercatori hanno utilizzato i sensori per misurare il campo magnetico creato dagli impulsi elettrici prodotti durante il battito cardiaco umano. Sono stati in grado di rilevare un chiaro segnale magnetico che mostra un contrasto elevato, dimostrando il potenziale della tecnologia come semplice sostituto dell'elettrocardiografia, o ECG, test comunemente eseguiti per rilevare problemi cardiaci.

Prossimo, i ricercatori hanno in programma di studiare la stabilità a lungo termine dei sensori e il modo in cui resistono ai cambiamenti ambientali. Vogliono anche fabbricare diverse centinaia di sensori per creare un sistema per la valutazione e l'imaging dell'intero campo magnetico di un cervello umano.